專利名稱：一種基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光子晶體慢光效應放大器設計及光子光電子器件設計技術領域，尤其 涉及一種基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器。
背景技術：
半導體光放大器(SOA)是新一代光通信、光存儲及光子器件的關鍵器件之一，其 小型化是光子集成的基本要求，利用慢光效應對其尺寸縮小是很有前途的途徑之一。光子晶體由于其自身的特點，近年來一直是研究的熱點，各種效應也不斷被發現 和利用。幾乎所有的有源和無源光子器件都可以用光子晶體的理論和材料來設計制造。光 子晶體的許多獨特之處引人矚目，如基于光子晶體帶隙的小尺寸大角度彎折無損耗波導、 基于帶邊超大色散效應的超棱鏡和基于光子晶體負折射效應的突破衍射極限的成像透鏡。 其中光子晶體帶邊慢光效應非常引人關注，它可以在微小尺度內極大增強光和物質的相互 作用，有效控制輻射速率，基于此的各種微納腔激光器已經實現超低閾值激射，特殊腔結構 的光子晶體激光器具有高達IOOGbps調制速率。基于慢光效應的調制器、光開關、光延遲器尺寸可以縮小1個或幾個數量級。基于 慢光效應的半導體光放大器在信號放大、波長變換、光邏輯門、光計算、光網絡節點的碼型 變換、色散監測和光碼分多址復用收發模塊等方面都有重要應用，慢光結構的采用可以大 幅度縮短腔長，從而大幅度減小尺寸，降低功耗，提高速率。關于光子晶體慢光效應S0A，此前有文獻報道了橫電(TE)模式的結構設計，這是 由于TE模式利用光子晶體很容易在帶隙內形成慢光模式，而對于橫磁(TM)模式很難，它需 要很大的占空比，對加工工藝要求高。目前還沒有關于偏振無關光子晶體慢光效應SOA的 設計報道。對于放大器而言，偏振無關是很重要的，因為輸入器件的光波有時是一種混合偏 振態，TE、TM兩者放大不均衡，對信號影響很大。如何在同一芯片上即實現TE放大，又實現 TM放大，且能構利用慢光效應來縮短腔長是難點所在。
發明內容
(一)要解決的技術問題光子晶體由于其有很多奇異特性，在小尺寸光子集成中被人們所重視。基于光子 晶體慢光效應的短腔SOA在光子光電子超小尺寸集成中具有重要應用。而光子晶體類器件 重要的特點是高偏振相關性。TE模式的慢光效應SOA是較容易利用普通晶格結構來實現， 而TM是很難實現的。既利用光子晶體慢光效應，又能實現TE和TM光的偏振無關放大，是 SOA設計的難題，本發明的主要目的在于提供一種基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特 性的光放大器，以實現偏振無關利用光子晶體慢光效應的S0A。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的
3光放大器，該光放大器包括縱向結構及橫向結構，其中縱向結構為縱向弱限制結構或空氣 橋結構，橫向結構以縱向結構為基礎分左右兩部分光子晶體結構，左半部分為蜂窩結構光 子晶體，右半部分為三角晶格結構。上述方案中，所述縱向弱限制結構為在III-V族半導體襯底上利用沉積工藝生長 的多層薄膜，其形成的波導結構在光通信波段基模有效折射率在3. 0至3. 2。上述方案中，所述在III-V族半導體襯底上利用沉積工藝生長的多層薄膜，由上 到下依次為空氣/半導體材料蓋層/銦鎵砷磷多量子阱層/緩沖層/襯底材料。上述方案中，所述半導體材料蓋層、緩沖層和襯底材料均采用磷化銦，所述銦鎵砷 磷多量子阱層的厚度為200至300納米，半導體材料蓋層的厚度也為200至300納米。上述方案中，所述空氣橋結構，由上到下依次為空氣/銦鎵砷磷多量子阱層/空氣 層/襯底材料，其形成的波導結構在光通信波段基模有效折射率在2. 9至3. 0。上述方案中，所述襯底材料采用磷化銦，所述銦鎵砷磷多量子阱層的厚度為250 至350納米。上述方案中，所述左右兩部分光子晶體結構是在垂直于縱向結構上加工小孔來形 成，小孔將貫穿芯區達到襯底。上述方案中，所述左半部分為蜂窩結構光子晶體，最近小孔間間隔即周期為P，孔 半徑為R，中間去掉兩行形成橫磁偏振線缺陷慢光模式，中間加入一調整波導，寬度為W1， 在加工過程中該波導即為保留區域，用于對慢光效應及橫電模式通過率進行調整。上述方案中，所述右半部分為三角晶格結構，周期為P1，原胞為圓孔或方孔，對于 方孔而言，長為L寬為W，改變其大小，能夠調整光子晶體帶隙位置及對橫電、橫磁模式的限 制效果，通過去掉一行孔，引入橫電慢光模式態。上述方案中，在所述左右兩部分光子晶體結構的導光區上下對稱位置，具有兩個 長的矩形孔，寬度為W2，以對光波模式進行調制和限制，增強透過性。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果1、本發明提供的這種基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，利用 光子晶體缺陷形成導光區，通過合理設計，使之處于慢光工作模式，并通過TE慢光模式與 TM慢光模式的互補，實現偏振無關光放大器設計。2、本發明提供的這種基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，由于 慢光效應的引入，加大了光和物質作用，從而能夠大幅度縮短S0A腔長。另外通過輔助波導 的加入，提高了光放大效率。3、本發明提供的這種基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，采用 半導體III-V族材料系低折射率對比度弱限制結構或空氣橋結構作為縱向結構以獲得增 益及提供波導限制；采用一種蜂窩晶格結構及三角晶格結構共存的方式作為橫向結構的基 礎，并通過引入缺陷形成導光區域，在蜂窩晶格中采取去掉兩行孔以獲取TM偏振慢光模式 態，而三角晶格中采取去掉一行孔以獲取TE偏振慢光模式態，這兩種慢光模式是縮短S0A 腔長的關鍵；在蜂窩區采用引入中間波導來對工作波長及模式的透過率進行調整；在整個 器件區域引入對稱長矩形孔區對各中偏振模式進行限制，能大幅度提高增益，可以通過調 整左右兩工作區域長度比例，實現TE和TM增益的一致性，達到偏振無關放大。
圖1是偏振無關光子晶體慢光SOA縱向結構的示意圖，其中圖1(a)是弱折射率限 制結構，圖1(b)是空氣橋結構；圖2是偏振無關光子晶體慢光SOA橫向結構的示意圖；圖3(a)是蜂窩結構光子晶體中引入兩行線缺陷時的TM色散關系圖；圖3(b)是三角晶格光子晶體中引入一行線缺陷時的TE色散關系圖；圖3 (C)是蜂窩結構光子晶體中引入兩行線缺陷時的TM慢光模式波長與群折射率 關系；圖3(d)是三角晶格光子晶體中引入一行線缺陷時的TE慢光模式波長與群折射率 關系；圖4 (a)是TE光傳輸場圖；圖4(b) TM光傳輸場圖；圖5是間隔為7微米的三點在不同注入下的TE及TM光脈沖傳輸監測結果，其 中，(a) TM脈沖，注入為3e+16A/m3 ;(b)TM脈沖，注入為3. 5e+16A/m3 ； (c) TM脈沖，注入為 4e+16A/m3 ； (d) TM 脈沖，注入為 4. 5e+16A/m3 ； (e)TE 脈沖，注入為 2. 5e+16A/m3 ； (f) TE 脈沖， 注入為 3. 0e+16A/m3 ； (g) TE 脈沖，注入為 3. 5e+16A/m3 ； (h) TE 脈沖，注入為 4e+16A/m3。圖6是偏振無關SOA中的增益特性，有效增益長度為14微米。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。本發明提供的這種基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，包括縱 向結構及橫向結構。縱向為一種低折射率對比度的弱限制結構或者為空氣橋多層結構。橫 向結構分為兩個慢光工作區域，分別在蜂窩晶格和三角晶格中引入線缺陷對應于橫磁慢光 模式和橫電慢光模式，如圖1和2所示。本發明通過調整左右結構尺寸及對接位置來實現 模式匹配及偏振無關放大，即左半部分對橫磁(TM)模式有慢光延遲增強效應，而橫電(TE) 模式可以低損耗甚至獲得增益通過，右半部分對TE模式有慢光延遲增強效應，而TM模式可 以低損耗甚至獲得增益通過，這樣就保證了偏振無關放大的效果，又大幅度縮小腔長。縱向結構可分為兩種，一種為縱向弱限制結構，可以為在III-V族半導體襯底上 利用沉積工藝生長的多層薄膜，常用的如圖1(a)的分布，由上到下依次為空氣/半導體材 料蓋層(如磷化銦)/銦鎵砷磷多量子阱層/緩沖層(如磷化銦)/襯底材料(如磷化銦)， 各層厚度在圖上標出，其形成的波導結構在光通信波段基模有效折射率在3. 0至3. 2左右， 注意TE模式與TM模式會有微小差別。另外本發明將通過調整芯區量子阱數目來控制高折 射率區厚度，以保證單模，一般厚度為200至300納米，蓋層區厚度也為200至300納米。另一種空氣橋結構，常用的如圖1(b)的分布，由上到下依次為空氣/銦鎵砷磷多 量子阱層/空氣層/襯底材料(如磷化銦)，各層厚度在圖上標出，其形成的波導結構在光 通信波段基模有效折射率在2. 9至3. 0左右，注意TE模式與TM模式會有微小差別。另外 本發明將通過調整芯區多量子阱數目來控制高折射率區厚度，為保證單模，一般厚度為250至350納米。橫向結構的設計以上面所述縱向結構為基礎，分左右兩部分光子晶體結構，光子 晶體結構即為在垂直于圖1的縱向結構上加工小孔來形成，小孔將貫穿芯區達到襯底。具 體如圖2所示，左半部分為蜂窩結構光子晶體，最近小孔間間隔即周期為P，孔半徑為R，中 間去掉兩行形成TM偏振線缺陷慢光模式，中間加入一調整波導，寬度為W1，在加工過程中 該波導即為保留區域，用于對慢光效應及TE模式通過率進行調整；右半部分為三角晶格結 構，周期為P1，原胞可以為圓孔也可以為方孔，對于方孔而言，長為L寬為W，改變其大小，能 夠調整光子晶體帶隙位置及對TE，TM模式的限制效果，通過去掉一行孔，引入TE慢光模式 態；另外在導光區上下對稱位置，引入兩個長的矩形孔，寬度為W2，以對光波模式進行調制 和限制，增強透過性。在本發明中，通過調整左右結構尺寸及對接位置來實現模式匹配及偏振無關放 大，即左半部分對TM模式有慢光延遲增強效應，TE模式可以低損耗甚至獲得增益通過，右 半部分對TE模式有慢光延遲增強效應，而TM模式可以低損耗甚至獲得增益通過，這樣就保 證了偏振無關放大的效果，又大幅度縮小腔長。本發明提供的這種基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，具有偏 振無關放大的特性，所用的半導體材料為III-V族銦鎵砷磷體系。該結構特點是以光電子 器件常用的多層薄膜結構為基礎，在制作過程中能通過電子束光刻及干法或干濕混合形 成。這里本發明稱之為縱向結構其實就是如圖一所示的縱向低折射率限制結構和空氣橋結 構(這兩種結構可以適應不同的泵浦方式)。光子晶體SOA器件就設計在如圖1所示的貫 穿襯底以上各層之中，為保證縱向單模條件，各層厚度有一定范圍限制，已經在途中用t標 出。中心光子晶體區厚度在幾百納米。橫向結構的設計以上面所述縱向結構為基礎，分左右兩部分光子晶體結構，光子 晶體結構即為在垂直于圖一的縱向結構上加工小孔來形成，小孔將貫穿芯區達到襯底。具 體如圖2所示，左半部分為蜂窩結構光子晶體，最近小孔間間隔，即周期為P(210納米左 右)，孔半徑為R (0. 35P-0. 41P)，中間去掉兩行形成TM偏振線缺陷慢光模式，中間加入一調 整波導，寬度為Wl (400-500納米)，在加工過程中該波導即為保留區域，用于對慢光效應及 TE模式通過率進行調整；右半部分為三角晶格結構，周期為Pl (350納米左右)，原胞可以為 圓孔也可以為方孔，對于方孔而言，長為L (210納米左右)寬為W(140納米左右)，改變其大 小，能夠調整光子晶體帶隙位置及對TE，TM模式的限制效果，通過去掉一行孔，引入TE慢光 模式態；另外在導光區上下對稱位置，引入兩個長的矩形孔，寬度為W2 (400納米左右)，以 對光波模式進行調制和限制，增強透過性。利用超原胞及平面波展開法，本發明得到左右兩種波導的色散關系如圖3所示。 對于TM情況，如圖3 (a)，將利用圖中箭頭標識的TM模式子帶，歸一化頻率在0. 123左右。該 束縛模式為缺陷態，在光錐之外大波矢處有慢光效應，如3(c)所示，群速度可以達到50以 上，對應波長可通過保持占空比，改變晶格周期，或者調整中間導光區Wl寬度進行調節。對 于右半部分TE情形，通過三角晶格引入線缺陷來實現，傳播方向色散關系如圖3(b)所示， 所用具有慢光效應子帶用箭頭標識。該TE束縛模式為缺陷態歸一化頻率在0. 235左右，在 光錐之外大波矢處有慢光效應，如3(d)所示，群速度也可以達到50以上。圖4(a)給出了用時域有限差分法仿真的TE偏振光傳輸情況，可見右側有明顯的慢光傳輸特征，而左側光波呈現普通波導傳輸特征，外層對稱波導對其傳輸有增強作用；圖 4(b)給出了 TM偏振光的傳輸情況，可見左側有明顯的慢光傳輸特征，而右側光波呈現普通 波導的傳輸特征，外層對稱波導對其傳輸有增強作用。圖5為偏振無關光子晶體慢光效應SOA中短脈沖的傳輸情況，三個監測點相互 間隔7微米，時間軸單位為微米(乘以l/(le+6*c)可轉換為標準時間單位，其中c為真 空光速)，這里給出了不同注入不同偏振情況下的放大情況，具體為5(a)TM脈沖，注入 為 3e+16A/m3 ;5(b)TM 脈沖，注入為 3. 5e+16A/m3 ;5 (c) TM 脈沖，注入為 4e+16A/m3 ； 5(d) TM脈沖，注入為4. 5e+16A/m3 ；5 (e) TE脈沖，注入為2. 5e+16A/m3 ；5(f) TE脈沖，注入為 3. 0e+16A/m3 ；5(g) TE 脈沖，注入為 3. 5e+16A/m3 ；5(h) TE 脈沖，注入為 4e+16A/m3。對TM及TE的放大增益總結如圖6所示，在注入為3. 2e+16A/m3時TE模式和TM模 式獲得相同的增益為3. 7dB，實際上本發明可以通過調整左右兩部分區域的長度比來調整 增益趨勢，達到TM和TE兩者增益曲線吻合。另外值得注意的是，就量子阱而言，對TE和TM 的增益是不同的，這樣本發明也要通過調整兩部分長度比例來實現增益一致。總之，通過這 種結構，本發明能夠實現偏振無關光信號放大。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護范圍之內。
權利要求
一種基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，其特征在于，該光放大器包括縱向結構及橫向結構，其中縱向結構為縱向弱限制結構或空氣橋結構，橫向結構以縱向結構為基礎分左右兩部分光子晶體結構，左半部分為蜂窩結構光子晶體，右半部分為三角晶格結構。
2.根據權利要求1所述的基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，其特 征在于，所述縱向弱限制結構為在III-V族半導體襯底上利用沉積工藝生長的多層薄膜， 其形成的波導結構在光通信波段基模有效折射率在3. 0至3. 2。
3.根據權利要求2所述的基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，其特 征在于，所述在iii-V族半導體襯底上利用沉積工藝生長的多層薄膜，由上到下依次為空 氣/半導體材料蓋層/銦鎵砷磷多量子阱層/緩沖層/襯底材料。
4.根據權利要求3所述的基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，其特 征在于，所述半導體材料蓋層、緩沖層和襯底材料均采用磷化銦，所述銦鎵砷磷多量子阱層 的厚度為200至300納米，半導體材料蓋層的厚度也為200至300納米。
5.根據權利要求1所述的基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，其特 征在于，所述空氣橋結構，由上到下依次為空氣/銦鎵砷磷多量子阱層/空氣層/襯底材 料，其形成的波導結構在光通信波段基模有效折射率在2. 9至3. 0。
6.根據權利要求5所述的基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，其特 征在于，所述襯底材料采用磷化銦，所述銦鎵砷磷多量子阱層的厚度為250至350納米。
7.根據權利要求1所述的基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，其特 征在于，所述左右兩部分光子晶體結構是在垂直于縱向結構上加工小孔來形成，小孔將貫 穿芯區達到襯底。
8.根據權利要求7所述的基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，其特 征在于，所述左半部分為蜂窩結構光子晶體，最近小孔間間隔即周期為P，孔半徑為R，中間 去掉兩行形成橫磁偏振線缺陷慢光模式，中間加入一調整波導，寬度為W1，在加工過程中該 波導即為保留區域，用于對慢光效應及橫電模式通過率進行調整。
9.根據權利要求7所述的基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，其特 征在于，所述右半部分為三角晶格結構，周期為P1，原胞為圓孔或方孔，對于方孔而言，長為 L寬為W，改變其大小，能夠調整光子晶體帶隙位置及對橫電、橫磁模式的限制效果，通過去 掉一行孔，引入橫電慢光模式態。
10.根據權利要求1所述的基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，其 特征在于，在所述左右兩部分光子晶體結構的導光區上下對稱位置，具有兩個長的矩形孔， 寬度為W2，以對光波模式進行調制和限制，增強透過性。
全文摘要
本發明公開了一種基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，該光放大器包括縱向結構及橫向結構，其中縱向結構為縱向弱限制結構或空氣橋結構，橫向結構以縱向結構為基礎分左右兩部分光子晶體結構，左半部分為蜂窩結構光子晶體，右半部分為三角晶格結構。本發明提供的這種基于光子晶體慢光效應具有偏振無關特性的光放大器，利用光子晶體缺陷形成導光區，通過合理設計，使之處于慢光工作模式，并通過橫電慢光模式與橫磁慢光模式的互補，實現偏振無關光放大器設計。由于慢光效應的引入，加大了光和物質作用，從而能夠大幅度縮短光放大器腔長。另外通過輔助波導的加入，提高了光放大效率。
文檔編號H01S5/343GK101950925SQ20101027776
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月8日 優先權日2010年9月8日
發明者張冶金, 渠紅偉, 邢名欣, 鄭婉華, 陳良惠 申請人:中國科學院半導體研究所